5.6 -- Zmienne Constexpr

W poprzednim lekcja 5.5 -- Wyrażenia stałe, zdefiniowaliśmy, czym jest wyrażenie stałe, omówiliśmy, dlaczego wyrażenia stałe są pożądane i zakończyliśmy stwierdzeniem, kiedy wyrażenia stałe faktycznie oceniają czas kompilacji.

W tej lekcji przyjrzymy się bliżej sposobowi tworzenia zmiennych, których można używać w wyrażeniach stałych we współczesnym języku C++. Przyjrzymy się także naszej pierwszej metodzie zapewnienia, że ​​kod faktycznie wykona się w czasie kompilacji.

Wyzwanie podczas kompilacji const Wyzwanie

W poprzedniej lekcji zauważyliśmy, że jednym ze sposobów utworzenia zmiennej, której można użyć w wyrażeniu stałym, jest użycie słowa kluczowego const . W wyrażeniu stałym można zastosować const zmienną typu całkowitego i inicjatorem wyrażenia stałego. Wszystkich pozostałych const zmiennych nie można używać w wyrażeniach stałych.

Jednak użycie const do tworzenia zmiennych, których można używać w wyrażeniach stałych, wiąże się z pewnymi wyzwaniami.

Po pierwsze użycie const nie pozwala od razu stwierdzić, czy zmienna nadaje się do użycia w wyrażeniu stałym, czy nie. W niektórych przypadkach możemy to rozwiązać dość łatwo:

int a { 5 };       // not const at all
const int b { a }; // clearly not a constant expression (since initializer is non-const)
const int c { 5 }; // clearly a constant expression (since initializer is a constant expression)

W innych przypadkach może to być dość trudne:

const int d { someVar };    // not obvious whether d is usable in a constant expression or not
const int e { getValue() }; // not obvious whether e is usable in a constant expression or not

W powyższym przykładzie zmienne d i e mogą, ale nie muszą, nadawać się do użycia w wyrażeniach stałych, w zależności od sposobu someVar i getValue() zdefiniowania. Oznacza to, że musimy sprawdzić definicje tych inicjatorów i wywnioskować, w jakim przypadku się znajdujemy. A to może nawet nie wystarczyć - jeśli someVar jest const i zainicjalizowane zmienną lub wywołaniem funkcji, będziemy musieli sprawdzić także definicję jego inicjatora!

Po drugie, użycie const nie zapewnia sposobu poinformowania kompilatora, że potrzebujemy zmiennej, która jest można go używać w wyrażeniu stałym (i że powinien zatrzymać kompilację, jeśli tak nie jest). Zamiast tego po prostu utworzy po cichu zmienną, której można użyć tylko w wyrażeniach wykonawczych.

Po trzecie, użycie const do tworzenia stałych zmiennych w czasie kompilacji nie obejmuje zmiennych nieintegralnych. Jest wiele przypadków, w których chcielibyśmy, aby zmienne niecałkowite były również stałymi czasu kompilacji.

Klasa constexpr słowo kluczowe

Na szczęście możemy skorzystać z pomocy kompilatora, aby mieć pewność, że otrzymamy stałą zmienną czasu kompilacji tam, gdzie jej potrzebujemy. Aby to zrobić, używamy słowa kluczowego constexpr (które jest skrótem od „wyrażenia stałego”) zamiast const w deklaracji zmiennej. Zmienna constexpr jest zawsze stałą czasową kompilacji. W rezultacie zmienna constexpr musi zostać zainicjowana wyrażeniem stałym, w przeciwnym razie wystąpi błąd kompilacji.

Na przykład:

#include <iostream>

// The return value of a non-constexpr function is not constexpr
int five()
{
    return 5;
}

int main()
{
    constexpr double gravity { 9.8 }; // ok: 9.8 is a constant expression
    constexpr int sum { 4 + 5 };      // ok: 4 + 5 is a constant expression
    constexpr int something { sum };  // ok: sum is a constant expression

    std::cout << "Enter your age: ";
    int age{};
    std::cin >> age;

    constexpr int myAge { age };      // compile error: age is not a constant expression
    constexpr int f { five() };       // compile error: return value of five() is not constexpr

    return 0;
}

Ponieważ funkcje zwykle są wykonywane w czasie wykonywania, wartością zwracaną przez funkcję nie jest constexpr (nawet jeśli wyrażenie zwrotne jest wyrażeniem stałym). Dlatego five() nie jest dopuszczalną wartością inicjującą dla constexpr int f.

Dodatkowo constexpr działa dla zmiennych o typach niecałkowych:

constexpr double d { 1.2 }; // d can be used in constant expressions!

Znaczenie const vs constexpr dla zmiennych

Dla zmienne:

• const oznacza, że po inicjalizacji nie można zmienić wartości obiektu. Wartość inicjatora może być znana w czasie kompilacji lub w czasie wykonywania. Obiekt const może zostać oceniony w czasie wykonywania.
• constexpr oznacza, że ​​obiekt może zostać użyty w wyrażeniu stałym. Wartość inicjatora musi być znana w czasie kompilacji. Obiekt constexpr może być oceniany w czasie wykonywania lub kompilacji.

Zmienne Constexpr są domyślnie constexpr. Zmienne const nie są domyślnie constexpr (z wyjątkiem zmiennych całkowitych const z inicjatorem wyrażenia stałego). Chociaż zmienną można zdefiniować jako jedno i drugie constexpr i const, w większości przypadków jest to zbędne i wystarczy użyć jednego const lub constexpr.

W przeciwieństwie do const, constexpr nie jest częścią typu obiektu. Dlatego zmienna zdefiniowana jako constexpr int w rzeczywistości ma typ const int (ze względu na const domyślnie constexpr dostępne dla obiektów).

int arr[5]; // an array of 5 int values, length of 5 is known at compile-time

const int arrLen = 5;
int arr[arrLen]; // ok: array of 5 ints

Parametry funkcji const i constexpr

Normalne wywołania funkcji są oceniane w czasie wykonywania, a dostarczone argumenty są używane do inicjalizacji parametrów funkcji. Ponieważ inicjalizacja parametrów funkcji odbywa się w czasie wykonywania, prowadzi to do dwóch konsekwencji:

1. const parametry funkcji są traktowane jako stałe czasu wykonywania (nawet jeśli dostarczony argument jest stałą czasu kompilacji).
2. Parametry funkcji nie mogą być traktowane jako stałe. należy zadeklarować jako constexpr, ponieważ ich wartość inicjalizacyjna jest określana dopiero w czasie wykonywania.

Nomenklatura podsumowanie

Krótkie wprowadzenie do funkcji constexpr

A funkcji constexpr to funkcja, którą można wywołać w wyrażeniu stałym. Funkcja constexpr musi być obliczana w czasie kompilacji, podczas gdy wyrażenie stałe, którego jest częścią, musi być obliczane w czasie kompilacji (np. w inicjatorze zmiennej constexpr). W przeciwnym razie funkcja constexpr może zostać oceniona w czasie kompilacji (jeśli jest to dopuszczalne) lub w czasie wykonywania. Aby kwalifikować się do wykonania w czasie kompilacji, wszystkie argumenty muszą być wyrażeniami stałymi.

Aby utworzyć funkcję constexpr, constexpr słowo kluczowe jest umieszczane w deklaracji funkcji przed typem zwracanym:

#include <iostream>

int max(int x, int y) // this is a non-constexpr function
{
    if (x > y)
        return x;
    else
        return y;
}

constexpr int cmax(int x, int y) // this is a constexpr function
{
    if (x > y)
        return x;
    else
        return y;
}

int main()
{
    int m1 { max(5, 6) };            // ok
    const int m2 { max(5, 6) };      // ok
    constexpr int m3 { max(5, 6) };  // compile error: max(5, 6) not a constant expression

    int m4 { cmax(5, 6) };           // ok: may evaluate at compile-time or runtime
    const int m5 { cmax(5, 6) };     // ok: may evaluate at compile-time or runtime
    constexpr int m6 { cmax(5, 6) }; // okay: must evaluate at compile-time

    return 0;
}